由于城市化的快速发展及城市人口的不断增加,传统的“灰色”城市雨洪基础设施面临各种挑战,包括较高的建设维护费用,时常发生的城市内涝及合流管道雨污溢流,污染物危害水体等。而新世纪面临的诸多问题,如气候变化的不确定性,日益增加的能源成本,雨洪基础设施的老化均使得上述问题趋于恶化。因此,亟待探索新的城市雨洪综合管理方法。

绿色基础设施(GI)的基本理念起源于美国。20世纪90年代初,美国马里兰州乔治王郡的环境资源部率先提出一套解决城市雨洪问题的技术措施并命名为“低影响开发”(LID)^[1]。LID最初的定义为:在土地开发过程中,通过场地控制降雨径流,达到减少径流量和雨水污染负荷的新型雨洪管理及技术措施^[2]。LID的核心旨在模拟土地开发前的水文功能,从而减少城市化对河湖水系的影响。这些水文功能包括土壤下渗与蒸发,地下水补给和同一降雨频率下流出开发场地的降雨径流总量^[3,4]。

该理念一经提出,很快被澳大利亚、新西兰以及欧洲一些国家接受并根据各国与地区的具体情况加以发展延伸,如澳大利亚采用“水敏感城市发展”^[5,6],英国及欧洲一些国家称为“可持续排水系统”或“可持续城市发展”^[7,8]。

21世纪初,美国的班内迪克在LID的基础上进一步提出“绿色基础设施”^[9],将其定义为与自然和谐的新型城市发展框架。之后的10多年中,绿色基础设施已应用于世界各地多种不同尺度的景观设计。但是班内迪克所提出的绿色基础设施并不仅局限于城市雨洪管理,而是延伸至更广泛的领域,包括自然生态系统和绿色廊道(如森林和洪泛区)等一些自然基础设施。

进入21世纪以来,绿色基础设施的理念迅速风行全球,也逐渐被社会各界所接受。绿色基础设施的实践正在从街头屋顶的小范围点缀步入城市雨洪管理的主体工程,与传统的灰色雨洪基础设施结合,形成新兴的城市可持续雨洪基础设施。因此,在荷兰等国,人们时常把城市可持续雨洪基础设施形象地称为“海绵城市”^[10,11]。

在我国,海绵城市的实践刚刚兴起,其规划、设计、实施、及运行管理尚处于起步之时,本文结合国际实践与经验并辅以具体案例,阐述GI构建的基本原则并辅以“灰色”与“绿色”结合的案例,为我国目前的海绵城市试点工作提供参考。

虽然绿色基础设施的理念在不同时期、不同地区所采用的名称有所不同,但均基于共同的基本原则。下列原则为处理好城市建设与水资源生态环境保护的关系,建设人水和谐的宜居环境提供了框架。

GI远景规划(GIP)应该和城市的发展目标相结合,综合考虑人口,社会、经济、环境等动态发展因素,以及对交通、运输、能源、其他资源的需求,并考虑未来气候变化等不确定因素。GIP通常延伸至今后20~30年期间,包括普查城市(或区域)的自然资源及人工雨洪基础设施;确定今后防洪排涝与生态环境保护的目标;制定相应的策略;确定存在的问题以及应该采取的行动。同时,根据问题的轻重缓急,技术及财政力量等因素,将这些措施行动按时间排序,制定实施计划。为确保GI的顺利实施和成功持续,GIP中还应制定详细的评估指标。GIP是GI构建的纲领性文件,应根据实施情况,随变化因素而不断修改,以保证其科学性与可实施性。

完整的GI应由3个尺度组成:①以自然雨洪系统为主的流域(或城市)尺度雨洪设施骨架;②模拟自然径流通道的社区尺度雨洪设施;③模拟自然入渗、蒸发、净化的源头雨洪设施。这3个尺度相互贯通,形成完整的GI体系。在条件成熟的情况下,可在任何一级GI设施中增设雨水利用措施。

天然流域由相互连接的自然雨洪基础设施组成,包括开放空间和自然区域(如林地、漫滩和湿地,绿色廊道、开放空间和森林保护区)。这些自然雨洪基础设施可以消纳雨水径流,补给含水层,保持水生态环境质量,同时提供娱乐场地和野生动物栖息地。流域尺度GI的构建应注重于保护自然雨洪基础设施及其关联性,保持水土、生态以及流域内其他资源,注重流域内各社区之间的协调发展,增强流域的整体可持续性。

社区尺度的雨洪设施多为人工修建,是连接雨水收集设施和城市尺度设施的纽带。规划时应考虑溢流路径,在遭遇超标准降雨时,超标径流可通过溢流路径排入城市尺度雨洪基础设施。社区尺度雨洪综合管理除了注重保护自然系统及其关联性,保持水土、生态以及社区内其他资源外,还应该力求模拟入渗、蒸发、净化等自然水文过程。

源头尺度的雨洪设施大多为LID措施,其目的是将雨水控制在源头。源头设施通常可控制2~10年一遇的降雨。由于源头设施设计标准偏低,溢流路径是设计的主要考虑因素。在遭遇超标准降雨时,超标径流可通过溢流路径排入社区和城市尺度雨洪基础设施中,以避免损毁源头设施,造成局部涝灾。

GI的内涵是构建能够模拟自然水文水生态环境的完整系统,不是修建一些随机分布的小型分散、互不相关的绿色碎片。不同类型GI的战略性连接,如公园、保护地、河滩区、湿地和其他绿色空间是维持重要雨洪与生态功能(如输送、蓄滞和过滤雨水径流,存储和净化水质,净化城市空气,减少热岛效应),并保持生物多样性的关键。完整的GI系统应包含城市所有的绿色空间;而源头LID应该作为城市大系统的一部分。

连接不一定是两个LID或绿色空间的直接物理连接,但是整体相连的系统应占主导。降雨径流及一些物种可以在近距离之间流动(移动)。近距离的接近也足以让个别的LID设施融入更广泛的大系统。独立且分布合理的LID及绿色空间仍然能够发挥GI的系统功能。

GI系统的构建应体现人与自然的和谐,既能减少城市洪涝、资源退化等灾害,又可以提高民众的生活质量,同时有利于城市企事业的发展。“低影响开发”不等于“零影响开发”;保护自然不等于让人类远离自然。其真谛在于,将雨水作为人类发展不可缺少的资源,将自然基础设施作为提高人民生活质量、美化环境的根基。因此,在构建GI系统时应考虑城市用地紧缺的矛盾,将GI规划融于城市土地规划中,为城市居民的生活和工作提供方便。例如,GI可以是户外活动空间,安全舒适的散步小径,步行、骑车等短途通道等。这些设施可为城市居民提供休闲、聚会、娱乐场所,增强人与自然及人与人的互动。

与传统的灰色雨洪基础设施相比,GI占地面积较大,在已建成的城市环境中构建GI系统往往面临土地紧缺的挑战。因此,在旧城改造中应探索创新,为已有的灰色雨洪基础设施添置绿色新装,使其发挥GI所特有的可持续功能。一种策略是纵向一体化,使多个功能“叠加”在一块土地;如道路下面的野生动物通道,建筑物或停车场下面的蓄滞、入滲设施,绿色屋顶等。

GI的多用途也可以体现在不同时间的不同用途。一些城市公用设施在不降雨或小降雨时可发挥其正常功能,而在强降雨时则可用于雨洪管理,如体育、娱乐、休闲场地,一些次要社区街道,和一些公共及商业场地等。GI的多功能利用也是提高本益比的有效方法。马来西亚吉隆坡的SMART隧道是将雨洪设施与城市交通相结合的典型案例。

虽然GI的理念及实践在全世界已经推行了20多年,但其实施中的挑战与困境仍然普遍存在,主要在于缺乏系统性的研究与实际经验。常被生态学家称为“大自然的奇迹”的湿地就是很好的例子。天然状态的湿地不需维护管理就能茂盛生长,发挥自然功能。而人工修建的湿地则往往需要花费很大财力精力维护,其功能常常大减折扣。原因在于,湿地的类型不同,对水、土及周围环境的要求也不同。造成的困境是:一个地方研究出来的经验并不一定可以在另一个地方成功复制。因此需要针对各地具体情况开展研究,并根据研究成果持续调整设计与设施、运行方案。此外,由于GI的内涵涉及广泛并不断更新,其研究需要跨学科的长期、共同努力。

灰色雨洪基础设施具有相对稳定的特征,从建成之初即可发挥功能,随着使用年代的增加,设施缓慢老化,功能降低。这是一个经过检验,可估算的过程,其可持续性也易于保障。GI是变化的系统,建成之初并不一定能发挥很好的功能(如湿地、生态花坛、绿屋顶),需要在运行中不断维护、改善并定期更新,才能日趋旺盛,充分发挥功能。因此,在规划之初即应该把今后的日常维护、修复更新的成本考虑进去,并明确维护的职责。为降低运行维护成本,增加可持续性,源头及街道尺度的LID应尽可能考虑采用当地材料。在资金紧缺的地方应考虑采用低维护成本的LID措施。不同LID措施的适用性受区域变化的影响很大,各地应根据实际情况选择适宜的LID措施,以避免不必要的失败。此外,规划GI时应考虑长远变化的因素,如气候变化、人口、社会、经济变化以及城市的发展。GI不一定要依照未来变化的参数设计,因为未来的变化毕竟是不确定的未知数。但GI应该能根据未来变化而调整,以适应变化的需求,避免完全拆除重建。

虽然GI在全球范围已得到广泛认可,但只包括GI的方案并不一定经济适用,也不可能完全满足城市雨洪管理的重大需求和目标,在高密度的老城区甚至不可行。因此,在考虑城市雨洪基础设施时,不应该将两种设施按颜色区分对立,而是应结合当地具体情况,考虑不同的自然与社会环境条件,在切实可行的情况下,将这两种方法纳入一个适合经济、环境和社会效益的可持续雨洪管理方案。以下两个案例从不同尺度展现了灰色与绿色设施的结合。

密尔沃基市(Milwaukee)坐落在密西根湖畔(Lake Michigan),居住和工作人口超过100万人,是威斯康星洲(Wisconsin)最大的城市。该市的雨污管理有100多年的历史。灰色系统包括超过5 000km的排水管网、渠道,储水量达190万m³的地下深隧(长47km,直径5.1~9.6m),多座污水处理厂、地上与地下蓄滞设施以及排水泵站等,是该市雨洪管理的“灰色”骨架。然而,随着城市的不断扩张,人口的急剧增长,该市的排水系统不能满足需求。每逢降大雨,内涝时有发生,污染密西根湖及附近水系。1997年大洪水使该市损失高达9千万美元。之后的几年,该市在洪灾损失最严重的社区开展征地拆迁,恢复洪泛区,修建堤坝、防洪墙等措施。由于已开发社区征地拆迁耗资巨大,进展缓慢,成效甚微。与此同时该市还要应对每年50余次的雨污溢流事件^[12]。

自2001年以来,该市改变了政策,开始征购未开发的洪涝多发土地。这些土地价格低廉,多为天然低洼地、坑塘湿地、林地和开放草场,是连接自然河湖水系与灰色雨洪设施的天然“绿色海绵”。该市称其为“绿色纽带计划”。截止于2013年,该计划已经征地将近10km²,改建成雨水或湿地公园,林地、草场等自然保护区,发挥了自然净化、生态保护、蓄滞洪水,防止下游洪涝,保护自然资源等功能^[13]。

2003年以来,该市逐步采取源头和街区LID措施(见图1)。截止至2013年,共建绿色屋顶40 000m²;出售雨水收集罐18 000多个,总储水量超过3 000 m³;雨水花坛2 500 m²;生态过滤沟350 000m²;透水铺面6 100m²;以及其他绿色设施。该市计划在2035年实现将13mm的初雨控制在源头与街区的LID设施,总雨量约为267万m³,是深邃蓄水量的142%。此外,该市还注重维护已有的灰色设施,并适当兴建完善必须的管网系统;如,该市将对一些老旧管网系统进行改造,增加管内衬砌,可以延长使用年限至50年之多^[14]。

该案例基于流域综合管理,在现有的灰色雨洪基础设施之上融入GI措施,注重雨洪管理设施的整体性及灰色与绿色的连接、多功能机可持续性,可为我国海绵城市建设提供借鉴。

奥马哈(Omaha)老城区运行了60多年的合流制排水系统一直困扰着当地居民。有些局部管网的标准甚至低于1年一遇。每年都有污水倒灌地下室的情况发生。多年来,市政府虽然采取了一些绿色措施,并不能解决雨污溢流的困境。如果投入巨大资金修建GI,是一条解决问题的途径,但需要花费大笔资金购置土地、居民搬迁。此外,大量GI的运行维护费用巨大。

经过多家咨询公司和公共管理部门的仔细评估,市政府决定投资兴建、改建大量的灰色设施,同时在适宜的地方尽可能采用绿色设施。近年来,该市倡导的绿色建筑、绿色街道计划均取得很好成效。该市拟修建、改建的灰色雨洪设施包括:局部地区雨污分流,修建8.6km的深隧(直径约5.1m,埋深约51m),修建2个超流量污水处理厂,改造现有污水处理厂、排水主管道、排水泵站等,修建多个地下蓄水池,修建大型排水管道^[15]。而绿色雨洪设施则遍地开花,穿插于灰色设施与自然设施之间。其中艾尔穆公园(Elmwood)雨洪分流工程是绿色与灰色设施结合的良好典范^[16]。

艾尔穆公园雨洪分流工程于2012年春季完工。该工程包括源头、街区的LID设施、传统的社区排水管网和末端生态蓄滞渗排设施。末端生态蓄滞渗排设施由一系列不同高程的彩色混凝土宽槽型溢流堰组成,溢流堰之间建有生态蓄滞花坛。每逢下雨,雨水经过LID设施削减后流入社区排水管网,经一条分流管道排放入生态蓄滞渗排设施。溢流堰的设计使得初期1英寸(约25mm)的初雨蓄滞在3个花坛中,得以净化下渗补充地下水,更多的雨洪则经过蓄滞净化后排入下游河道。生态蓄滞花坛中种植了高杆本地草类和花卉。最初的几年,花坛需要浇水、锄草、施肥。待草类花卉成熟后,则会自然生长繁殖,需要的维护很少。该工程体现了灰色与绿色雨洪施设巧妙结合,达到净化水质、减轻洪涝、补充地下水、美化环境的功能。同时还结合休闲用地,缓解了土地奇缺的矛盾,提高了经济效益,减少了维护成本。

该案例利用旧城改建之际融入GI措施,注重自然和谐,充分发挥绿色设施的蓄、滞、渗、净、排的多种功能,为我国旧城改建中融入海绵城市建设理念提供了示范。

以上2个案例显示,城市雨洪管理并不是灰色和绿色措施的竞争,或场地与流域管理的对立。灰色和绿色是互补色彩,是达到同一目的的两个选项。而灰色与绿色的最佳结合是成功的关键。LID措施是城市雨水管理的重要组成部分,但需要融于流域的整体框架,与河湖湿地、绿色廊道的保护维护连接在一起。灰色工程措施是城市雨洪管理不可缺少的骨架,然而,只有和LID结合,由“绿色纽带”贯穿,最终和流域自然系统连接成整体,才能发挥最大效益,形成完整的、灰色与绿色结合、局部与整体连接的可持续城市雨洪管理基础设施。

洛特丹市(Rotterdam)是荷兰著名的水城,全市大部分地区处于海平面以下。为解决雨季暴雨成灾的问题,该市采取了一系列措施,其中最具创新的是修建雨洪广场。第一个雨洪广场———本森雨洪广场(Benthemsquare)于2013年12月4日正式开放^[17]。该广场由3个蓄水池组成,总蓄水容积1 700m³(见图2)。雨洪广场不仅解决了附近社区的洪涝问题,还为居民提供了休闲娱乐场所^[18](详见图3)。

该案例将雨洪管理功能融入城市娱乐休闲设施,即突破了土地奇缺的局限性,又能提高城市景观多样性,同时构建了雨洪设施相互连接的整体框架。此外,作为城市娱乐休闲设施之一,该雨洪广场的运行维护经费来源可以落实,保障了其可持续性。

位于安大略湖畔(Lake Ontario),占地面积约14 230m²的舍博恩公园(Sherbourne Common)建于一片工业废弃场地上,是多伦多(Toronto)市复兴这片废弃场地项目的一部分。由于地势低洼,雨季时附近城区合流管网溢流的污水通常集积在这里,在美丽的安大略湖畔形成一条污水滩地。设计人员综合考虑城市建设、景观设计、住房开发和公共设施,将污水处理与景观建筑,工程和公共艺术融于一体,修建了世界上第一个融污水处理于城市园林中的艺术奇观。

该公园的地下修建了雨污蓄滞沉积净化设施。地面径流由排水管网收集后排入地下沉积设施,进行固体悬浮质沉淀。澄清的水输送到设置于一座公共亭台地下室的紫外线(UV)水处理设施。经过UV净化的水再由水泵抽送到公园中最醒目的3个9m高的雕塑。从雕塑的顶端,雨水呈水帘瀑布状流入下面的生化过滤池,然后经一条渠道流入安大略湖^[19](见图4)。

该案例不仅将雨洪管理功能融入城市娱乐休闲,还突出体现了其艺术价值。地下-地上相结合的污水处理方式增加了多功能特性,保护了水质;其高超的艺术设计提高了城市景观美感,成为北美景观热点之一。

城市无序发展引起的干旱、洪涝和水环境严重退化仍将是全球范围内持续的重大问题。灰色雨洪基础设施仍将是收集、输送及处理城市雨污的关键设施。同时,GI将在城市雨洪管理领域日益发挥重要作用,成为减轻城市洪涝、改善城市水环境,保持城市可持续发展不可缺少的组成部分。本文借鉴国际经验提出了构建GI系统的7个基本原则,并以典型案例从可持续角度展示了不同尺度上灰色与绿色基础设施相结合的杰出效果,同时体现了本文中建议的7个构建GI的基本原则。我国的海绵城市建设不等同于GI系统建设,是与GI相似且不断发展的新理念。本文提出的GI构建基本原则及灰色与绿色结合的典型案例可为我国海绵城市建设,合理解决城市雨污和洪涝,支持生物多样化,营建宜居环境,打造可持续发展模式提供依据。